12. Металлическая связь

Металлы и сплавы металлов кристаллизуются в форме металлических решеток. Узлы в металлической решетке заняты положительными ионами металлов (атомными остовами металлов). Все металлы, за редкими исключениями, кристаллизуются в одном из трех типов решеток. При кубической плотневшей упаковке атомных остовов формируется гранецентрированная решетка, при гексагональной плотневшей упаковке — гексагональная решетка. Кристаллы щелочных металлов, бария и некоторых переходных металлов образуют объемно центрированную кубическую решетку. Названия решеток соответствуют упаковке атомных остовов в вершинах и серединах граней элементарного куба, в виде гексагональной призмы и в вершинах и геометрическом центре элементарного куба.

Заполнение гранецентрированной кубической и гексагональной решеток атомными остовами является максимально возможным при данных геометрических размерах атомных остовов металлов поэтому такие виды упаковок атомов называются плотневшими. Плотневшим упаковкам атомов соответствует и максимальное координационное число решетки, т. е. число ближайших соседей, окружающих данный атомный остов в пространстве. Для кубической и гексагональной плотневших упаковок координационное число равно 12 в объемно центрированной кубической решетке координационное число равно 8.

Валентные электроны, отделившиеся от атомов металлов и оставившиеся в узлах решетки соответствующие атомные остовы (катионы), более или менее свободно перемещаются в пространстве между катионами и обусловливают металлическую электрическую проводимость металлов. По аналогии с молекулами газообразного вещества, совершающими хаотическое движение, подвижные электроны рассматривают как электронный газ в металле.

Устойчивость металлической решетки обеспечивается наличием электростатического притяжения между положительно заряженными атомными остовами и отрицательно заряженными подвижными электронами. Связывающие кулоновские силы действуют на все соседние атомные остовы равномерно и поэтому они менее прочные, чем силы направленного химического связывания в атомных кристаллических решетках. Вследствие этого большинство металлических простых веществ, в отличие от алмазоподобных веществ, имеют относительно низкие температуры плавления, например:

Сs Nа Sn РЬ А1 Ва Аg Сu Fе

т. пл., °С 29 98 232 328 660 727 962 985 1539

(Важнейшие исключения: Мо 2620, Rе 3190, W 3387 °С).

Подобно атомам в атомных решетках и ионам в ионных решетках, катионы в металлических решетках, не обладающие поступательным движением, постоянно совершают колебания вокруг положения узлов решетки. Амплитуда этих колебаний при нагревании возрастает, и при достижении температуры плавления металла решетка разрушается. Температура плавления металлов, как правило, возрастает с увеличением числа валентных электронов в их атомах и с уменьшением расстояния между атомными остовами в решетке — параметра решетки а.

кальций плавится при значительно более высокой температуре, чем калий, в основном по причине удвоенного числа валентных электронов (параметры их решетки почти одинаковы).

От упаковки кристаллических решеток зависит пластическая деформируемость (ковкость) металлов. Она тем выше, чем больше в металлической решетке плотневших шаровых слоев (плоскостей трансляции, т. е. плоскостей параллельного переноса слоев) и чем меньше пустот, тормозящих скольжение слоев. Наименьшая ковкость у металлов с гексагональной решеткой, промежуточная — с объемно центрированной кубической решеткой и наибольшая — с гранецентрированной кубической решеткой.

П р и м е р. При нагревании железа до 911°С низкотемпературная объемно центрированная кубическая решетка (так называемое -железо) переходит в гранецентрированную кубическую решетку (так называемое -железо); по этой причине раскаленное железо значительно легче поддается ковке.

При затвердевании металлических расплавов происходит массовая кристаллизация и возникает одновременно множество мелких кристалликов, они называются кристаллитами. Рост кристаллита протекает в окружении подобных мелких кристаллов, при этом исключается значительное увеличение размеров кристаллитов и поэтому они не видны визуально на изломе металла и образец металла кажется монолитным.

Смеси двух или более индивидуальных металлов называются сплавами. В сплавах могут присутствовать в небольших количествах и некоторые неметаллы. Распространенным методом получения сплавов является совместное нагревание их составных частей до полного расплавления смеси. Однако есть металлы, которые не сплавляются друг с другом в любых отношениях.

Металлические сплавы можно классифицировать так: твердые растворы внедрения; твердые растворы замещения; смеси индивидуальных кристаллов металлов; смеси кристаллов интерметаллических соединений.

В сплавах, представляющих собой твердые растворы внедрения рис. 20а СЛ. 30, часть межузельных полостей металлической кристаллической решетки занята атомами другого элемента (например, углерода). Такие примеси часто упрочняют сплав, например, чугун, сталь — железо, содержащее примесные атомы углерода, значительно тверже, чем чистое железо.

Рис. 20. Структура твердых растворов внедрения (а) и замещения (б), со-держащих атомы двух металлических элементов

В сплавах — твердых растворах замещения рис. 20б часть атомов основного вещества заменена на атомы примесного элемента. Сплавы, состоящие из смеси индивидуальных кристаллических компонентов, образуются при соблюдении строго определенного соотношения; такие сплавы называются также эвтектическими смесями. Эвтектической смесью является широко известный0 оловянный припой — третник (64% Sn и 36 % РЬ) c т. пл. 181 °С.

Сплавляемые металлы могут образовывать между собой химические соединения — интерметаллиды. Например, в бронзе (сплаве на основе Сu и Sn, содержащем также А1, Ве, РЬ и др.) присутствует интерметаллическое соединение состава Сu₃Sn, а в латуни (сплаве на основе Сu и Zn, содержащем также А1, Fе, Мn и др.) —ннтерметаллид СuZn₃. Важнейшей составной частью стали является карбид железа Fе₃С (цементит), который также, относят к интерметаллическим соединениям. Состав интерметаллидов обычно не отвечает стехиометрической валентности элементов, интерметаллиды — это нестехиометрические соединения, составляющие обширный класс неорганических веществ с нестехиометрическим составом. Многие элементы образуют несколько нестехиометрических соединений, так, железо с фосфором дает фосфиды состава Fe₃Р, Fe₂Р, FeР и FeР₂. Формулы этих соединений указывают лишь на то, что для кристаллических решеток характерно определенное соотношение компонентов, например в Fe₃Р на каждые три атома Fe приходится один атом С.

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА